武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋的技術(shù)特點(diǎn)

1、武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋的技術(shù)特點(diǎn)邵長(zhǎng)宇（鐵道部大橋局設(shè)計(jì)院）【摘要】武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋是一座跨越分汊河流的橋梁，橋址處地質(zhì)條件較差，水文條件復(fù)雜，且航運(yùn)繁忙。本文著重介紹了橋式方案布設(shè)對(duì)防洪、通航的考慮，主橋斜拉橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思及對(duì)大型深水主域基礎(chǔ)的比選?！娟P(guān)鍵詞】武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋 技術(shù)特點(diǎn) 設(shè)計(jì)構(gòu)思一、建設(shè)背景及主要建設(shè)條件1建設(shè)背景武漢白沙洲大橋橋位是武漢市總體交通規(guī)劃預(yù)留的中環(huán)線上跨越長(zhǎng)江的橋位，位于武漢長(zhǎng)江大橋上游約8.6km的白沙洲中部偏上游處，橋址河段水文條件復(fù)雜、航運(yùn)繁忙、地質(zhì)條件較差，橋梁建設(shè)難度較大。武漢市過江交通雖有一橋、二橋維系，但是，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，過江交通仍然十分緊張，

2、修建武漢白沙洲大橋非常緊迫。因此，大橋的修建必須處理好過江交通與航運(yùn)、堤防的關(guān)系，解決好橋址處特殊水文、地質(zhì)條件所形成的技術(shù)問題，選擇合適的橋式方案，為早日建成大橋創(chuàng)造條件。2橋址自然條件（1）河道及水文武漢白沙洲大橋位于武漢市的白沙洲河段上，從白沙洲中部偏上游處跨越長(zhǎng)江。本河段中白沙洲、潛洲、荒五里邊灘和漢陽(yáng)也灘，自本世紀(jì)初形成至今，平面位置都處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，河床近期平面變化主要表現(xiàn)在年際年內(nèi)洲灘的消長(zhǎng)，深槽隨來水來沙條件上提下移。 深泓縱剖面年際間變化特點(diǎn)是沖淤交替。橋址附近河段處于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期。武漢河段的整治工程可行性研究已進(jìn)行多年，其具體內(nèi)容是封堵白沙洲南汊，以漢陽(yáng)岸江堤為準(zhǔn)，控制河

3、寬在12001300m。從有關(guān)模型試驗(yàn)資料看，整治后水流流速普遍增大，河床發(fā)生沖刷下切，河床高程普遍降低，其中以深槽下切為主，荒五里邊灘及漢陽(yáng)邊灘也相應(yīng)收縮，對(duì)航運(yùn)極為有利。（2）航運(yùn)本橋橋址位于武漢至宜昌航段，高水位時(shí)能通行3000t輪船，低水位對(duì)能通行l(wèi)000t輪船。本橋通航凈高按內(nèi)河航道標(biāo)準(zhǔn)I（2）級(jí)考慮。橋址處僅北汊是通航河道，通過高、中、低水位實(shí)船航跡線測(cè)量和歷年航道調(diào)查，橋址處航道覆蓋寬約800m。橋址河段航道特點(diǎn)是高、中水位條件下航道順直，在枯水期，由于漢陽(yáng)荒五里邊灘的沖淤年際變化較大，加之水位下落泥沙落淤所形成的河心灘埂，可行航道彎曲，可通航范圍較窄。橋址河段枯水期水道深泓隨每

4、年來水來沙條件不同而左右變化。（3）工程地質(zhì)橋址處基巖為白堊第三系陸相碎屑巖，巖面較平坦，埋深約2045m，巖面高程-245-156m，巖性、巖相變化較大，固結(jié)成巖程度不一，軟硬不均。按巖性及成分可分為砂質(zhì)泥巖、含礫砂質(zhì)泥巖、砂巖、疏松砂巖等六類，其單軸極限強(qiáng)度在055MPa之間。主河槽中覆蓋層的表層以粉細(xì)沙為主，厚823m，其下由硬塑半干硬粘性土及圓礫上組成，厚918m。3主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（1）荷載等級(jí)汽車-超20級(jí)設(shè)計(jì)；掛車-120級(jí)檢算。（2）設(shè)計(jì)車速80km/h。（3）橋面寬度橋面設(shè)六條機(jī)動(dòng)車道，車行道寬22m，中央分隔帶寬1.5m，路緣帶寬度共lm，兩側(cè)各設(shè)寬075m檢修道，檢修道與機(jī)動(dòng)

5、車道間設(shè)置025m的防護(hù)欄。橋面凈寬26.5m。（4）設(shè)計(jì)基本風(fēng)速 V10258ms（5）地震按6度設(shè)計(jì)二、橋式總體布置1橋式布置的原則橋址處河道由南汊、白沙洲、北汊和漢陽(yáng)邊灘組成，兩岸大堤間距約2.4km，北汊為主河槽，寬約1200m，通航航道全年均在北汊內(nèi)，北汊汛期行洪分流比占全河道的85左右，白沙洲及南汊分流比僅占15左右，漢陽(yáng)邊灘汛期有水，水深較淺，過洪分流比極小。主河槽重點(diǎn)要解決好通航問題，特別是枯水期的航道問題，還要考慮到航道可能出現(xiàn)的變化；白沙洲及南汊主要應(yīng)能滿足汛期行洪需要，并要求不致對(duì)河勢(shì)變化產(chǎn)生不良影響。因此，在橋式總體布置構(gòu)思中應(yīng)盡量減小對(duì)河勢(shì)的不利影響，或通過方案的選配

6、使建橋?qū)觿?shì)的影響趨向有利；要最大限度地改善航運(yùn)條件，滿足通航要求；要有利于加快工程進(jìn)度，降低造價(jià)，為大橋早日建成創(chuàng)造前提條件。正橋橋式布置見圖1。2主河槽橋式布置主河槽橋式布置經(jīng)多方案的論證比選，以采用大跨雙塔鋼箱梁斜拉橋方案為宜，從通航要求考慮，北塔墩置于上、下行航道分界航標(biāo)處，北邊跨覆蓋中高水位上行航道，下行從主跨通過；南塔墩置于現(xiàn)行航道一般年份枯水期航跡線以外，既不改變又覆蓋了習(xí)慣性航道，由此，兩塔間主跨當(dāng)在600m左右。與北邊跨對(duì)稱設(shè)置的南邊跨作為備用通航孔，以備特殊年份橋址河段水位很低、水道深泓又偏向白沙洲側(cè)時(shí)啟用。根據(jù)以上分析，經(jīng)河工模型試驗(yàn)驗(yàn)證及通航尺度論證，結(jié)合斜拉橋結(jié)構(gòu)的特

7、點(diǎn)，確定采用主跨 618m雙塔斜拉橋方案。這一方案較好地解決了通航問題。3白沙洲及南汊橋式布置白沙洲及南汊的橋式選擇主要從水文角度出發(fā)，考慮其對(duì)河勢(shì)變化及防洪等影響，以期經(jīng)濟(jì)合理地解決技術(shù)問題。單純從過洪分流考慮，應(yīng)以大跨為宜，受河道整治規(guī)劃研究的啟發(fā)，提供試驗(yàn)研究時(shí)，增加了小跨布置方案，河勢(shì)演變分析和動(dòng)、定床河工模型試驗(yàn)表明，主河槽采用大路斜拉橋，白沙洲及南汊按小跨度布置后，可促使?jié)撝抻覀?cè)淤積將有利于實(shí)施武 漢河段第三期整治工程（該整治工程是封堵南汊最終形成單一河道）。不僅改善防洪條件，同時(shí)由于主槽下切，邊灘收縮，對(duì)枯水期航運(yùn)極為有利。經(jīng)多方案比選，按采用小跨方案的原則，綜合考慮施工、工期、

8、經(jīng)濟(jì)等條件確定采用跨度50m的簡(jiǎn)支T梁方案。4北岸漢陽(yáng)邊攤橋式布置漢陽(yáng)邊灘地勢(shì)較高，僅洪水期淹沒，且過水分流比極小，按經(jīng)濟(jì)合理的原則，選用跨度40m的簡(jiǎn)支T梁方案。三、主跨618m斜拉橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思1結(jié)構(gòu)布置在滿足功能要求的前題下，結(jié)構(gòu)布置處理關(guān)系到造價(jià)、工期及工程實(shí)施難易等問題，必須結(jié)合斜拉橋的力學(xué)特點(diǎn)、自然條件及施工工藝、設(shè)備條件等因素綜合考慮。武漢地區(qū)抗風(fēng)抗震問題并不突出，斜拉橋的設(shè)計(jì)主要應(yīng)處理好靜力問題，本橋采用雙塔雙索面鋼、混凝土箱梁組合型斜拉橋，跨度布置為對(duì)50+180+618+50（m）5跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，主梁全長(zhǎng)1078m，兩端各有87m梁段采用混凝土箱梁，其余904m均為鋼箱梁，見圖

9、2。兩塔墩處對(duì)稱設(shè)有縱向彈性約束。梁上索距為12m，4.5m。主塔采用鉆石形結(jié)構(gòu)，自塔座以上全高17445m，共設(shè)兩道橫梁，塔柱及橫梁均采用空心矩形斷面，塔柱縱向尺寸：下橫梁以上 6.5m，下橫梁以下由6.5m過渡到7m，見圖3。主梁高3m，全寬30.1m，見圖4。2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（ l）斜拉橋邊跨跨度比為（18050）/618=0.372，主梁每側(cè)包括50m邊跨及向180m跨延伸37m共87m長(zhǎng)區(qū)段采用混凝土箱梁，該段錨有13對(duì)斜拉索（共24對(duì)邊索）。這種梁、墩及斜拉索的布置極大地提高斜拉橋邊路的錨固剛度，充分利用尾索效應(yīng)改善了斜拉橋結(jié)構(gòu)受力狀況，特別是改善了主塔及其基礎(chǔ)的受力狀況，從而減小材料用

10、量，降低工程造價(jià)。 （2）本橋址處地基承載力較差，深水基礎(chǔ)修建費(fèi)用很高，在工程造價(jià)上所占比例高，因此主梁采用輕型鋼箱梁可以大幅減小基礎(chǔ)反力，從而減小主塔墩基礎(chǔ)規(guī)模。不僅降低工程造價(jià)，而且可縮短工期。（3）主梁采用鋼箱梁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12m拼裝工作量大為減小，工程進(jìn)度大大加快，為大橋盡早建成通車奠定基礎(chǔ)。邊跨87m段采用混凝土箱梁，可解決邊墩及輔助墩負(fù)反力問題。利用混凝土箱梁較鋼箱梁剛度大的特點(diǎn)，加強(qiáng)錨跨鋼度。由于邊跨一定范圍河床面較高且隨年度變化，若采用鋼箱梁吊裝如正值枯水期則難以實(shí)施。87m梁段便于采用掛籃對(duì)稱懸澆施工。另一方面，由于180m為通航孔，l號(hào)、4號(hào)墩設(shè)計(jì)受船拉力控制，該梁段采用混

11、凝土箱梁不會(huì)增加1號(hào)、4號(hào)兩輔助墩墩身及其基礎(chǔ)的造價(jià)，而混凝土梁本身費(fèi)用要低于鋼箱梁。（4）鋼箱梁與混凝土箱梁的分界點(diǎn)布置在距輔助墩37m（距梁端87m）的位置，回避了輔助墩處彎矩及剪力峰值，成橋后該接頭位置受力呈現(xiàn)軸力大、彎矩及剪力較小的狀況，接頭受力非常有利。結(jié)合段設(shè)有特制鋼箱節(jié)段，其一端設(shè)有剪力鍵與混凝土梁結(jié)合，另一端與180m合龍段鋼箱梁相匹配，結(jié)合段還均勻分散設(shè)置了預(yù)應(yīng)力束（筋）以確保結(jié)合可靠。斜拉橋180m邊跨合龍?jiān)趦蓱冶蹱顟B(tài)進(jìn)行，實(shí)踐證明合龍順利，并無特別的難點(diǎn)。 （5）斜拉橋雙伸臂懸拼施工至 2 * 137.5m即可邊跨合龍，無需采用臨時(shí)抗風(fēng)措施。（6）鋼箱梁與混凝土箱梁接合點(diǎn)

12、位置居于一跨之間，主梁豎向剛度變化較為勻順，有利于改善行車條件。四、主塔墩基礎(chǔ)比選主塔基礎(chǔ)規(guī)模大、施工環(huán)節(jié)多、工藝設(shè)備復(fù)雜、建設(shè)費(fèi)用高，橋址位處長(zhǎng)江中游，水位變化大、流速大、沖刷嚴(yán)重，在地基承載力很低、地質(zhì)條件較差的條件下，選擇合適的基礎(chǔ)形式，縮小基礎(chǔ)規(guī)模，控制投資，保證方案順利實(shí)施極為重要。本橋兩個(gè)主塔墩基礎(chǔ)均位于主河槽，施工水深1822m，河床覆蓋層上部主要為松散、飽和狀粉細(xì)中砂層，厚711m；中部為硬塑-半干硬狀粘性土，厚約9m；下部為中密飽和狀圓礫土，厚約4m。下伏基巖主要由砂質(zhì)泥巖組成，巖石極限抗壓強(qiáng)度Ra=0525MPa。本橋主塔基礎(chǔ)主要以沉井基礎(chǔ)與樁基兩大類型進(jìn)行比較研究。沉井基

13、礎(chǔ)因河床沖刷較深，基底必須埋置較深，尤其必須穿過厚約9m的粘土層，施工難度太大，工期無法保證，故予以放棄。采用鉆孔樁方案，因基巖承載力極低，只能按摩擦樁設(shè)計(jì)，故重點(diǎn)對(duì)兩種不同的防水圍堰類型進(jìn)行綜合比選。雙壁剛圍堰適應(yīng)性較好，安全可靠，技術(shù)成熟。但由于地質(zhì)不良，所需鉆孔樁數(shù)量較多，相應(yīng)圍堰很大，而龐大的圍堰及其封底混凝土重量又需由鉆孔樁承受，加之沖刷較大，圍堰著河床穩(wěn)定要求須嵌入硬塑粘土層，基底不透水，圍堰所受的水頭壓力也要由鉆孔樁承受。故該方案雖然可行，但工程數(shù)量大、造價(jià)高。吊箱圍堰在一般河流、小型基礎(chǔ)以及水位變化不大、流速很小如海灣上應(yīng)用較多，但在長(zhǎng)江中下游水深流急、像本橋這樣的大型基礎(chǔ)上采用，尚屬新的嘗試，必須深入研究結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及工藝細(xì)節(jié)才能保證方案順利實(shí)施。根據(jù)水文、地質(zhì)條件，經(jīng)過不斷地研究深化，設(shè)計(jì)采用了高樁承臺(tái)自浮式吊箱圍堰鉆孔樁基礎(chǔ)方案。施工時(shí)先插打定位樁及鋼護(hù)筒，連接并拼裝鉆孔平臺(tái)；先完成68根鉆孔樁確保安全渡洪，并繼續(xù)完成全部鉆孔樁施工，拆除鉆機(jī)平臺(tái)；分段安裝下沉吊箱圍堰，圍堰吊點(diǎn)以鉆孔樁為支承，整個(gè)圍堰能自浮于水中，從而避免大型起吊設(shè)備；圍堰以鉆孔樁鋼護(hù)筒為導(dǎo)向，定位準(zhǔn)確、容易，工序簡(jiǎn)單，施工快捷。因基礎(chǔ)承臺(tái)較高，封底混凝土厚度僅2m，圍堰鋼料用量也大量減小，基礎(chǔ)自身荷載大幅降低，同時(shí)亦消除了水頭壓力等附